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Séminaire-Bilan des travaux de l’OHM BMP sur les terrils du Bassin Minier de Provence – 7 décembre 2015- Aix-en-Provence
LE LIGNITE DU BASSIN MINIER DE PROVENCE:
INFLUENCE SUR LES PROPRIETES PHYSICO‐CHIMIQUES ET
BIOLOGIQUES DES SOLS
Stéven CRIQUETMaître de Conférences – HDR (IMBE)
Catherine KELLER Professeur (CEREGE
Mélanie CLOUARD, Philippe DUSSOUILLEZ , Virgile CALVERT, Rachelle ADJOUHGNIOPE, Guillaume BERNARD, Nathalie DUPUY, Sandrine AMAT, Jérôme BALESDENT, Fabio MARZAIOLI, Fabio ZIARELLI
Contexte Echantillonnage Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Typologie et fonctionnement des sols enrichis en lignite du bassin minier de Provence
Projets concernés:
Thèse Mélanie Clouard: Sols des terrils de Provence : étude des paramètres biologiques et physico-chimique impliqués dans leur intégration environnementale(co-direction Criquet/Keller)
OHM BMP – LiterPro 1: Le lignite des terrils de Provence :Caractérisation spectrale et influence sur la qualité de la La matière organique et les fonctions microbiennes des sols
OHM BMP – LiterPro 2: Le lignite des terrils de Provence :Spatialisation et influence sur les activités microbiennes des sols
Etude de l’influence du lignite:
Processus de pédogenèse Caractéristiques physico-chimiques des sols Expression des activités microbiennes
1
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Impact du lignite sur les propriétés pédobiologiques:
connaissances incomplètes
Problématique
4
Objectifs
Définir des indicateurs d’abondance du lignite
Spatialiser la distribution du lignite et son impactsur l’activité microbienne d’horizons A
cas du terril Armand
Etudier plus finement l’effet du lignite sur les fonctions microbiennes et la croissance végétale
mésocosmes
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
5
Géolocalisation des terrils du BMP
Augmentation des volumes des terrils d’Est en Ouest:
Pendage / Profondeur des veines Mécanisation des techniques d’extraction
Molxs
Hély d’Oissel
Germain
Kirbon
Armand
9Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Qualité de la MO :
SS 13C CPMAS NMR après traitement HF SPIR + régressions PLS 14C : C-lignite vs C-récent
6
Fonctions microbiennes
Enzymes de recyclage CNPS
-glu: -glucosidase (C) ArylS: Arylsulfatase (S) PhoA: Phosphatase acide (P) ArylN: Arylamidase (C, N) FDL: Lipase (C) FDA: Estérase (C) Diversité fonctionnelle Biolog
Respiration basale
CPG, OxiTop (Photos S. Criquet)
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
7
Signatures spectrales du lignite
Gardanne
Kirbon
Hély d’Oissel
2 pics principaux:
Aromatic C (128 ppm)
Alkyl C (31 ppm)
Lignites des mines sont identiques
Lignite de l’affleurement (Kirbon)
Altération importante du pool des alkyl C
Alk- C
Aro- C
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Soil horizon Ratio A COT C/NWithout lignite
(‐) A 0,67 7,2 19,2(‐) A/C1 0,68 6 21,2(‐) C1 0,68 5(‐) C2 0,68 4,8
With lignite(+) A 1,75 8,9 28,1
(+) A/C1 0,78 8,4 26,1(+) C 2,5 7,3 27,4
8
Signatures spectrales des sols – Affleurement de lignite de Kirbon
Clouard et al.2014
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
9
H
B
M
Signatures spectrales des sols - Les Molxs (Collevieille)
H M B
% C % en Alkyl-C et en Aromatic-C récalcitrance du C
signature spectrale du lignite
A mesure que l’on dévale la pente….
Gradient de signature en lignite:
Substrat plus léger ? Substrat plus lessivable ?Stériles plus appauvries en ligniteau sommet ? Meilleures techniques d’extraction ?
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
B
H
C & N (post HF)Sample % N % C C/N
H 0,38 11,6 31B 0,41 18,2 44
H
B
Signatures spectrales (30 et 128 ppm) caractéristiques d’un enrichissement en lignite, similaires aux Molxs.
% en C, Alk-C et Aro-C au pied du terril
Signatures spectrales des sols - Terril Germain
10
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Terril Armand:Spatialisation de la qualité de la MOS
3
2
1
1
2
3Sur la pente du terril:
Forte hétérogénéité spatiale de la qualité de la MOS
Certains échantillons sont enrichis en Aro-C (lignite)
D’autres non…
M. Clouard2013
11
++ Aro-C
Alk- CAro- C O-Alk-C
Carbox-C
++ O-Alk-C
2. Spatialisation - Echantillonnage du terril Armand
10m
0 40m 120m80m
15 m
30 m
45 m
0
160m
Niveau 1(bas du terril)
Niveau 4 (haut du terril)
Niveau 3
Niveau 2
Composite 1 Composite 2 Composite 3 Composite 4
Composite 5 Composite 6 Composite 7 Composite 8
Composite 6 Composite 7 Composite 8 Composite 9
Echantillon 10 Echantillon 11 Echantillon 12 N
Echantillons composites (19): analyses RMN; SPIR; modèles PLS Echantillons individuels (57): SPIR; FDA; spatialisation
M. Clouard2013
12
Niveau 4
Niveau 3
Niveau 2
Niveau 1
Cartographie : P. DussouillezRPearson (composites réels – composites prédits) = 0,80***
Niveau 4
Niveau 3
Niveau 2
Niveau 1
Cartographie : P. DussouillezRPearson (FDAréelle-Caromatiqueprédit)= -0,47*
Effet négatif de l’enrichissement en C-Aro sur l’activité FDA du terril 13
Et sur les autres variables microbiennes??
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Résidus
Effet net des propriétés physico-chimiquesEffet net de la qualité de la MOInteractions
16,7 %
55,6 %
26.5* %1,2 %
Décomposition de la variance : Diagramme de Venn
Effet significatif et majoritaire de la qualité de la MOS Effet le plus souvent négatif sur l’expression des fonctions microbiennes Ex: RLM Arylamidase (protéase)
β-coefficient
C phénoliques C Carboxyles Index aromatique R² ajusté
Arylamidase -1,14*** 1,12** -0,44** 0,86***
R² ajustéPhysico-chim
0,13ns
14
Contexte Echantillonnage Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Fonctions microbiennes : KIRBON
Patrons de distribution identiques pour toutes les enzymesSol (-) lignite
Distribution « classique » fonction de la qualitéet de la disponibilité du C org
Distribution « pas classique » fonction de laprésence du lignite
Effet négatif du lignite
Enrichissement en C récalcitrant plusdifficilement métabolisable
Inhibition des enzymes microbiennes?
Sol (+) lignite
10
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Origine de l’effet négatif de la présence de lignite sur les activités microbiennes
Physiologique ? Dilution du COT par un C inerte ?
14C
Quantificationdu
Clignite
Effet « masquant » du lignite sur le lien fonctionnel entre COT & activité enzymatique
Lignite semble être un matériau inerte
15
(2014)
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Influence de doses croissantes en lignite sur les fonctions microbiennes et la croissance végétale:
une étude en mésocosmes
Influence de doses croissantes en lignite sur les fonctions microbiennes et la croissance végétale:
une étude en mésocosmes
16
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Enrichissement des sols témoins « Armand » avec des doses croissantes en lignite
4 modalités:
Témoin (T) : 100g de COT Kg-1 sol
Apport de lignite (Hély d’Oissel)
Modalité 1 (M1) : COT à 150 g.Kg-1 de sol
Modalité 2 (M2) : COT à 200 g.Kg-1 de sol
Modalité 3 (M3) : COT à 250g.Kg-1 de sol
40 mésocosmes plantés avec du blé (4 modalités*10 répétitions)
20 mésocosmes non plantés (4 modalités * 5 répétitions).
37 j de croissance
17
Maturation1mois15°C
aaaaaa
aa
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Aucun effet du lignite sur la croissance du blé
Quelques résultats
18
Effet négatif du lignite
Effet négatif uniquement par dilution ?
Pas si évident…
Pas de proportionnalité entre la
dilution du Cvég et les activités enzymatiques
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
19
Phosphatase% pertes obs >> % pertes théo
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Approche multivariée
Effet négatif du lignite:
Adsorption des nutriments, des enzymes?
Effet dose
Effet négatif du lignite
Pas d’effet dose
Effet rhizosphère atténue l’effet dose ?20
T M1 M2 M3
Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
21
14C: seule méthode permettant de quantifier exactement le lignite
Méthode très coûteuse pour une utilisation en routine
RMN + SPIR : bon compromis pour spatialiser la qualité du C et l’enrichissementen Aro-C (lignite)
Nécessité de modèles plus robustes + bases données élargies
Lignite: substrat inerte ou labile ?
Nécessité d’approfondir:
ses capacités d’adsorption et d’inhibition des fonctions microbiennes son potentiel de dégradation par les microorganismes les relations fonctionnelles lignite/rhizosphère/microrganismes
Espèces végétales plus représentatives des terrils Sur des temps plus longs
RMN SOLIDE DU 13C (13C SS CPMAS NMR)
C Alkyles (0-45 ppm)
C O-Alkyles (45-110 ppm)
C Aromatiques (110-140 ppm)
C Phénoliques (140-160 ppm)
C Carboxyles (160-220 ppm)
C Méthoxyles(50-60 ppm)
9Contexte Sites d’étude Matériels et méthodes
Résultats Conclusions Perspectives
Qualité de la MO : SS 13C CPMAS NMR après traitement HF
5. Quantification du lignite dans un sol méditerranéen : isotopie du 14C
Δ 14C (‰)
SANS lignite (Rendosol)
A/IIC : - 49,3
IIC : - 156,6
IIIC : - 245,9
A : 40,8
AVEC lignite
IIA : - 853,9
IIIA/IIC : - 228,4
IIIC : - 915,0
Le marquage isotopique du 14C est la seule méthode actuellement qui permet de quantifier le lignite dans les sols
Lignite de la veine affleurante :
-970,1 ‰ et -984,1 ‰Valeurs comparables à
d’autres sols méditerranéens (Elzein et Balesdent, 1995, SSSAJ)
Lignite allemand : -996 ‰ (Chabbi et al., Organic geochemistry, 2006)
(Soutenance Thèse M Clouard – 18 Décembre 2013)